Міскантус гігантеус як джерело енергетичної сировини сільськогосподарського походження

Міскантус гігантеус як джерело енергетичної сировини сільськогосподарського походження

1. Альтернативні джерела енергії

Швидкий розвиток промисловості призводить до все більшого забруднення навколишнього середовища. Забрудненню піддається повітря, вода та грунт. Відбувається деградація ґрунту. Дуже небезпечним для людей та тварин є забруднення тяжкими металами , токсинами як : олово (Pb), кадмій (Сd), цинк (Zn), мідь (Cu), хром (Cr). В Україні є території екологічного лиха, на яких природне середовище забруднене різними елементами . Забруднення ґрунту там є різним . На забруднених територіях неможливе вирощування культур, призначених до безпосереднього вжитку , і обмежене вирощування пасовищних культур. Ці території потребують рекультивації. В цьому може допомогти вирощування рослин на промислові або енергетичні цілі. Цей спосіб рекультивації призведе до систематичного зниження рівня забруднення території і обмеження вживання продуктів, які з них походять [23].

Іншою загрозою зі сторони промисловості, головним чином паливно-енергетичної, є викидання в атмосферу великої кількості СО2 . Ця промисловість використовує паливо (газ, нафту, вугілля кам’яне і буре, торф), спалювання яких порушує натуральний обіг і баланс СО2 . Наслідком цього є поглиблення парникового ефекту. В масштабі світу головним абсорбентом СО2 є рослини [14]. Запровадження до вирощування нових рослин, які інтенсивно зв’язують вуглекислий газ і утворюють високий врожай біомаси, який можна було б використати на енергетичні цілі, дозволило б значно зменшити емісію СО2. До відтворюваних джерел відносяться чотири групи рослин [9]:

Ø  деревні рослини швидкої ротації (тополя, верба, евкаліпт);

Ø  швидкоростучі, багаторічні трав’яні рослини (Miscanthus spp., Arundo spp., Spartina spp.);

Ø  багаторічні дводольні рослини (Cynaria spp.);

Ø  однорічні рослини (Sorgum spp.).

Досконалим аргументом впровадження до вирощування рослин на енергетичні та промислові цілі є загосподарювання виключених з використання сільськогосподарських ґрунтів. На таких ґрунтах можна висадити ліс, а також вирощувати вище названі рослини. Такі рослини повинні відрізнятись низькими вимогами до ґрунтів, живлення і добрив. Також від них вимагається утворення високого врожаю, який можна було б використовувати у промисловості. Вирощування рослин такого роду могла б становити додаткове джерело доходів для селян.

Однією з рослин, яка могла би становити сировину для промисловості є Miscanthus sinensis форми “Giganteus”. Звернув він увагу науковців, які шукають нових, відновних джерел енергії з погляду на можливість усестороннього його використання, а також великий врожай і невеликі вимоги. Швидкі зміни глобального клімату, а також обмеження кількості опалювальної сировини, використання якої має свою межу, а ціни будуть зростати, стимулюють в останні роки пошук нових джерел енергії, так званих СО2-нейтральних джерел [22]. З цією метою беруться під увагу сонце, вітер, енергія води, а також спалювання біомаси [23]. Згідно експертам, які працюють над зниженням впливу на середовище викопних палив, а також обмеженням емісії газів, що призводять до парникового ефекту, вуглекислий газ, що звільняється під час спалювання біомаси, не перевищує кількості раніше за абсорбованої рослинами під час фотосинтезу і тому не буде сприяти парниковому ефекту ( утворюється замкнутий обіг ) [14]. Прийнята в 1997 році „Біла книга” Європейського союзу передбачає зростання частки відновлювальних джерел енергії до 12% в 2010 році . Тим часом в Україні цей рівень є низьким . Але в затвердженій Верховною радою України у 1996 р. Національній енергетичній програмі України на період до 2010 р. передбачено покриття 10% потреб народного господарства в енергії за рахунок нетрадиційних відновлювальних та інших джерел енергії. В 2000р. актуальність цього пункту Програми була підтверджена в Рекомендаціях парламенських слухань відносно “Енергетичної політики України”. Якщо орієнтуватись на досвід країн ЄС (де доля біомаси складає 60% всіх відновлювальних джерел енергії ), біомаса може покривати біля 6% потреб народного господарства України в енергії [27].

Біомаса в енергетиці може бути використана безпосередньо через спалювання, або як паливо, після попередньої переробки на дизельне паливо, етанол або газ. Передбачається, що за 10-15 років настане зміна двигунів внутрішнього згорання на водневі палива. Як паливо буде використовуватись головним чином етанол, з якого буде отримуватись водень [14]. З вище описаних причин, розпочато в останні роки дослідження над продукуванням біомаси не призначеної на споживання. Великі надії покладаються на нові рослини, які дозволять використовувати їх цілу біомасу, а не тільки як є у випадку ріпаку, тільки насіння, чи так само зерна злакових культур [32].

Джерелом енергетичної сировини сільськогосподарського походження можуть бути культури, призначені на інші цілі, як продукт побічний, наприклад, солома, або рослини спеціально для цього призначені (однорічні або багаторічні). Важливо, щоб рослини, які вирощуються на енергетичні цілі, характеризувались би високим вмістом лігніну і целюлози, а також як найвищою продукцією біомаси. Рослинами з високим вмістом лігніну і целюлози, які утворюють пагони відповідної якості, є тополя і верба, солома та трави [3]. Найбільш перспективними, з погляду на продукцію біомаси, в помірному кліматі Європи є верба (Salix sp.) і тополя (Populus sp.), а також рослини типу С4: багаторічні трави, наприклад, міскантус (Miscanthus sp.), амарант (Amaranthus sp.), мальва пенсильванська, а також просо (Рanicum virgatum).

Рослини С3 (наприклад, верба і тополя) мають більшу потребу у воді при продукуванні тієї самої кількості біомаси, ніж рослини С4. Річна кількість води, яка транспірується вербою і тополею, є на 40-100мм води більша, ніж у міскантуса. В багатьох регіонах чинником, який буде обмежувати вирощування верби та тополі, стане їх велика потреба у воді [23]. Врожаї, які отримуються з них в помірному кліматі Європи, можуть досягати 10-12 т сухої маси на рік. Натомість, рослини типу С4, як міскантус і однорічні трави, показують відносно більшу здатність утворювати врожай біомаси [16].

Серед багаторічних трав типу С4 з родини Miscanthus порівнювались багато генотипів: M.sacchariflorus, M.giganteus, M.Sinensis, M.sinensis hybrids. Досліди показали, що M.giganteus i M.sinensis дають найвищий урожай біомаси. З одного гектара в помірному кліматі можна отримати 25-35т сухої маси за рік і ще більше на зрошуваному полі в південних регіонах Європи [9].

Додатковою перевагою трави називаємої Miscanthus giganteus є її вимоги до удобрення: азоту менше в порівнянні з іншими однорічними і багаторічними травами [6]. Тривалість життя плантації також є привабливою і складає біля 20 років, а тривалість комерційного вирощування біля 15 років. Біомаса може збиратись щорічно. Вона трактується, насамперед, як відновлюване джерело енергії. З огляду на високий вміст целюлози і лігніну, він становить також цінну сировину для продукції будівельних матеріалів, в целюлозно-паперовій промисловості і в сільському господарстві [20].

2. Нетрадиційні поновлювані енергоджерела України

Серйозною перешкодою розвиткові українського суспільства тепер є несприятлива ситуація з енергією. Саме рівень забезпечення енергією (енергоресурсами) загрожує подальшому нарощуванню обсягів виробництва додаткової вартості і прогресу цивілізації. Це зв'язано з переважно екстенсивним розвитком паливно-енергетичного комплексу, що наближає настання «енергетичного голоду», тому що вимагає безперервного нарощування обсягів використання традиційних паливно-енергетичних ресурсів, запаси яких близькі до виснаження. Інша погроза — глобальна екологічна катастрофа, зв'язана з викидами в навколишнє середовище шкідливих інгредієнтів, насамперед парникових газів, що загрожує зникненням усього живого на Землі. Багато учених вважають, що необоротна глобальна екологічна катастрофа вже почалася і розвивається з прискоренням.

Результати системних досліджень, виконаних за замовленням Програми розвитку ООН (ПРООН), свідчать: щоб зупинити ці руйнівні тенденції (або хоча б призупинити їхній розвиток), необхідно змінити пріоритети розвитку паливно-енергетичного комплексу (ПЕК). Насамперед варто відмовитися від екстенсивної моделі його розвитку, тобто забезпечити повномасштабне підвищення енергоефективності. (В Україні це називають енергозбереженням, але це не зовсім точно.) Однак винятково заходами енергозбереження вирішити проблему енергозабезпечення неможливо: досвід індустріально розвитих країн свідчить, що ці міри лише сповільнюють підвищення потужностей ПЕК.

Яке ж повинна бути стратегія розвитку ПЕК? Відповідь дають результати тих же системних досліджень, замовлених ПРООН. Якщо коротко, то це широкомасштабне впровадження техніки і технологій використання нових (нетрадиційних) і поновлюваних джерел енергії (НПДЕ). Адже ресурси НПДЕ невичерпні; технології використання НПДЕ екологічно чисті; техніка і технології використання багатьох видів НПДЕ уже відпрацьовані настільки, що енергооб'єкти на їхній базі можуть бути не тільки промисловими, але і комерційними, тобто конкурувати з об'єктами традиційної енергетики, отже, можуть поступово них витісняти.

За свідченням Світової енергетичної конференції (ради), розвіданих запасів енергоносіїв для забезпечення потреб в енергії вистачить на такий час: нафти — на 25-30 років; природного газу — 50-60 років; вугілля — 500-—600 років; урану для АЕС на повільних (теплових) нейтронах — 20-30 років; плутонію для АЕС на швидких нейтронах — 1000—3000 років.

Самі економічні й екологічно чисті первинні енергоносії — нафта і природний газ — є дефіцитними в Україні; їх споживають прискореними темпами, тому орієнтувати перспективу розвитку ПЕК України на їхній основі не можна. Використання плутонію для української економіки фінансово неможливо, і оскільки ці технології небезпечніше, ніж технології використання енергії теплових нейтронів, то, на перший погляд напрошується висновок, що Україні доцільніше розвивати енергетикові на вугіллі й урані, запасів якого в Україні більш ніж на 100 років. Але Чорнобиль показав, що експлуатація АЕС небезпечна й економічно нерентабельна. Це, утім, не може бути основою для негайної зупинки всіх діючих АЕС. З погляду стратегії довгострокового розвитку ПЕК серйозні заперечення викликає і пріоритетне будівництво ТЕС (на вугіллі): витрати, зв'язані насамперед із забрудненням навколишнього середовища, можуть багаторазово перевищити доход від виробництва електроенергії. До того ж Україні не вистачає інвестиційних засобів на розвиток вугільної промисловості і на модернізацію вугільних ТЕС для того, щоб вони відповідали вимогам по охороні навколишнього середовища. Різке і неухильне зменшення обсягів видобутку газу в Росії, її політична нестабільність і усе більша недовіра до України не дозволяють розраховувати на широке застосування ПГУ і ГТУ.

Реалії життя змушують Україну орієнтуватися на широкомасштабне використання НПДЕ. Загалом, робота в цьому напрямку в Україні почате. Розроблено і реалізується ряд мір, що передбачають упровадження техніки і технологій використання НПДЕ, їхнє використання передбачене біля державних програм.

Державними програмами передбачене використання наступних НПДЕ: енергії вітра (будівництво ЄЕС); гідроенергії (переважно шляхом будівництва маленьких і міні-гес); енергії сонячного випромінювання; геотермальної енергії, тобто глибинного тепла Землі; тепла навколишнього середовища, тобто поверхневих шарів Землі, ґрунтових вод, води, озер, рік, морів за допомогою теплових насосів; вторинного тепла промислового виробництва; біомаси, біогаза, вугільного .метанові, пальних твердих побутових і промислових відходів і деяких інших альтернативних видів палива.

Але через незадовільне фінансування практична реалізація цих державних програм дуже незначна. Це стосується навіть вітроенергетики, що має більш-менш стабільне фінансування: у середньому задачі НЕП (і Комплексної програми будівництва БЭС) виконуються на 3%. Що стосується інших НПДЕ, то темпи і масштаби їхнього впровадження ще менше, тому і техніка, і технології НПДЕ поки маловідомі масовому споживачеві й істотно не впливають на економію паливно-енергетичних ресурсів.

Варто звернути увагу яке можливості України в рішенні проблеми фінансового забезпечення розвитку і впровадження техніки і технологій використання НПДЕ7В першу чергу це створення консолідованого фонду розвитку і упровадження всіх НПДЕ, з виділенням на конкурсній основі засіб на нові розробки, будівництво пілотних об'єктів і субсидії для спорудження енергооб'єктів, що будуть використовувати НПДЕ для енергопостачання фермерів, сільських підприємств, муніципальних громад. Інший напрямок — залучення іноземних інвестицій, значні можливості для чого відкриються у випадку налагодження торгівлі квотами на парникові гази.

Тим часом Мінпаливенерго, з огляду на реальні досягнення, тобто практична відсутність внеску НПДЕ в економію ТЭР, самоусунулося від керівництва розвитком і впровадженням НПДЕ, залишивши це на відкуп «аматорам», не несущої ніякої відповідальності за розвиток ПЕК. Від цього страждають інтереси держави, оскільки лише компетентне керування з єдиного центра розвитком і впровадженням НПДЕ принесе бажані результати, адже ресурси НПДЕ в Україні досить великі. По оцінках ІЕК НАН України, ресурси енергії вітри технічно доступні для освоєння на континентальній частині нашої території, приблизно в 200 разів перевищують нинішні обсяги генерування електроенергії в Україні.

Світова енергетична рада (конференція) відзначає, що самі використання НПДЕ, як засобу підвищення рівня децентралізації електропостачання, забезпечить найбільший економічний ефект і буде сприяти прискоренню розвитку і упровадження відповідної техніки і технологій. З урахуванням сказаного очевидна неправильність здійснюваної в Україні концепції розвитку вітроенергетики тільки шляхом будівництва промислових ВЕС. Дійсно, промислові ВЕС потужністю більш 50 Мвт можуть виступати як комерційні і паралельно як засіб зменшення перетікання струму на регіональному або субрегіональному рівні. Вітроенергетичніі об'єкти меншої потужності (до 20 квт і менше), підключені до мережі, також будуть сприяти зменшенню втрат електроенергії на будь-якому локальному рівні (район, місто, селище, село, хутір, ферма).

Перспективним напрямком розвитку вітроенергетики в Україні може бути його інтеграція з гілроенергетикою, наприклад, у формі загального використання інфраструктури ГЕС або створення вітро-гідроаккумулюючих електростанцій, що зможуть поставляти мережа електроенергією за графіком.

В Україні поступово розвертаються роботи з розвитку маленької гілроенергетики. Це потенціал, що в Україні оцінюють по-різному. Є думка, що він у три-чотири рази перевищує потенціал каскаду ГЕС на Дніпру, тобто маленька гілроенергетика може забезпечити генерування близько 30-40 млрд. Квт*г/рік. З урахуванням можливості гілроенергетики підтримувати графік навантаження енергосистеми, а також кращих економічних показників, цей напрямок удосконалювання ПЕК України надзвичайно актуально і перспективно.

В Україні є в наявності близько 63000 маленьких рік, сумарною довжиною до 13600 км. Якщо з потенційної можливості водних ресурсів України використовувати навіть 20% їхній, і ті щорічні виготовлення електроенергії може замінити десятки атомних реакторів типу Чорнобильської АЕС. До того ж система маленьких ГЕС не викликає негативних наслідків на екологічну ситуацію. Впровадження нетрадиційної технології маленьких ГЕС, не потребуючого створення величезних водоймищ.

Україна має великі ресурси для створення об'єктів геотермальної енергетики. Зокрема, значні геотермальні енергоресурси є в Криму, Закарпатській, Чернігівській, Сумській, Полтавській, Харківській, Львівській, Херсонській, Івано-Франківській областях. За винятком невеликих експериментальних геотермальних об'єктів теплопостачання, цей напрямок практично не розвивається. Повільно йде розробка і впровадження теплонасосної техніки, хоча в цій сфері є підприємства, що можуть неї робити і вже частково роблять (АТ «Рефма», Мелітополь).

Що стосується сонячних фотоелектричних установок і станцій, то в цьому напрямку, завдяки «діяльності» колишнього Мінмашпрому, узагалі спостерігається регрес, хоча Україна мала все необхідне для його розвитку. І сьогодні наукова діяльність у цій сфері дозволяє сподіватися на успіх.

На наш погляд, необхідно звернути увагу на біо і геліоенергетику. Щорічно земна поверхня поглинає 5,2-1023 Дж сонячної енергії. Усі створені людиною енергосистеми світу роблять незначну частину цієї енергії. Першість по засвоєнню і нагромадженню енергії Сонця по праву належить рослинам. У складі біомаси суші рослини складають 2400 млрд. тонн, тоді як загальна маса усіх тварин і мікроорганізмів - 23 млрд. тонн.

Ще знаходячись на «корені», зелена біомаса приносить величезну користь. Рослини нормалізують хімічний склад повітря, регулюють просування атмосферної і ґрунтової вологи, сприяють збагаченню ґрунту і перешкоджають її ерозії. Уже давно виявлений прямий зв'язок кількості опадів у регіонах з кількістю рослин, особливо дерев. Над позбавленими зелені ділянками суші дощі майже не випадають. І навпаки, найбільша кількість опадів спостерігається над великими лісами, особливо, якщо ці ліси розташовані в горах. Жителі півдня і Сходові України вже давно б'ють тривогу з приводу збільшення площі степів і зародження пустель унаслідок вітрової ерозії.

Думаємо, для того щоб збільшити площа і якість лісових насаджень, їх треба більше використовувати, у тому числі для енергетики. Адже збільшилася кількість і селекційна якість пшениці після того, як люди навчилися неї використовувати. Так само буде і з лісами. Треба тільки, щоб цією серйозною справою займалися дійсні хазяї своєї землі, а не прагнучі швидко розбагатіти комерсанти. Звичайно радять використовувати швидкоростучі види рослин (бамбук, верба, тополя), але сушити і перевозити таку біомасу - одні збитки. Проте, уже є позитивний досвід уживання як паливо вербових лозин. В усному народному фольклорі верба оспівана як найбільш погане паливо. Дані таблиці про вартість одного квт

Для опалення житла, нагрівання води, виготовлення електроенергії сьогодні застосовують піролизні казани. У таких казанах спалювання біомаси відбувається в 3 етапи й у 3 окремих зонах казана. На 1 -м етапі паливо сушиться і перетворюється в газ, 2-й етап - спалювання газу у форсунках з подачею підігрітого вторинного повітря, 3-й етап - дожигання продуктів горіння в теплоізольованій камері.

Генератори на біомасі для безпосереднього обігріву приміщень уже продаються в Україні.

Тепер ідеальною культурою для цих цілей є міскантус. Рослина з його чотирьохметровим стеблом і метельчатим пухнатим суцвіттям без насінь є красивою енергетичною сировиною, тому що містить велика кількість целюлози 64-71%. При вирощуванні міскантуса кількість З2 , що поглинається їм у процесі росту адекватно кількості З2 , виділюваного при спалюванні. Тобто в даному випадку ми маємо замкнутий цикл вуглецю. Крім того, при вирощуванні міскантуса ми маємо позитивний енергетичний баланс у порівнянні з іншими культурами (верба, коноплі), позитивний баланс по гумусі, тому що після 4 років вирощування міскантус накопичує 15-20т. підземної біомаси, що еквівалентна 7,2-9,2т, вуглецю на гектарі.

У той же час, на вирощування міскантуса направляється значно менше роботи, чим на обробку кукурудзи або сої.

Розвиток біоенергетичних технологій зменшить залежність України від імпортованих енергоносіїв, підвищить її енергетичну безпеку за рахунок організації енергопостачання на базі місцевих поновлюваних ресурсів, створить значна кількість нових робочих місць (переважно в сільських районах), внесе великий вклад у поліпшення екологічної ситуації.

У затвердженою Верховною Радою України в 1996 р. Національній енергетичній програмі України на період до 2010 р. передбачене покриття 10% потреб народного господарства в енергії за рахунок нетрадиційних поновлюваних і інших джерел енергії. У 2000 р. актуальність цього пункту Програми була підтверджена в Рекомендаціях парламентських слухань відносно "Енергетичної політики України". Якщо орієнтуватися на досвід країн ЄС (де частка біомаси складає 60% усіх ВДЕ), біомаса може покривати близько 6% потреб народного господарства України в енергії.

Для України з її великим потенціалом сільськогосподарських земель дуже перспективним є організація спеціальних енергетичних плантацій швидкого обороту (верба, тополя, міскантус і ін.). Залучення біомаси, спеціально вирощеної на землях, що зараз не використовуються (землі, які підверглися радіоактивному забрудненню - 15Ки/км (555 кбк/м)) або використовуються неефективно в Україні, приведе до підвищення частки біомаси в енергетичному балансі країни до 20-25%.

Страницы: 1, 2